超声波流量传感器原理及应用

超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。

超声波流量传感器的测定原理是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。目前，应用比较广泛的主要是超声波传输时间差法。

（一）时间差法

如图4-13所示，在流体中设置2个发射/接收超声波探头A、B，在流体的上、下游各安装一个，其间距离为L。

图4-13　超声波流量传感器管内安装位置

设流体流动速度为v，顺流方向流体从A到B的时间为t1，逆流方向流体从A到B的时间为t2，流态时超声波传输速度为c，则：

超声波传播时间差为：

一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，即c2＞＞v2，那么，Δt≈2Lv/c2，则流速v=c2Δt/2L。

在实际应用中，探头一般都安装在管道的外部，超声波透过管壁发射和接收，不会给管道内流体带来影响，同时2探头之间形成夹角。如图4-14所示。

图4-14　超声波流量传感器管外安装位置(https://www.xing528.com)

此时超声波的传输时间及时间差是：

顺流传输时间为：

逆流传输时间为：

当c＞＞vsinθ时，时差为：

则流体的平均流速为v=c2Δt/2vDtanθ。

该方法测量精度取决于时间差的测量精度，且c是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。

超声波流量传感器的特点是不阻碍流体流动。可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。

（二）频率差法

频率差法探头安装位置同图4-14。测量顺流发射频率f1与逆流发射频率f2，则频率差为：

由此可见，被测流速v与频率差Δf成正比，且与声速c无关。由于c是温度的函数，所以频率差法可以克服温度的影响。